使用ROS1驅動程式操控ADI Trinamic馬達控制器

作者：ADI 軟體系統工程師 Krizelle Apostol, 資深軟體系統工程師Jamila Macagba, 及軟體系統設計工程經理Maggie Maralit

摘要

TMC ROS1驅動程式支援TMC驅動層和應用層之間在ROS框架內無縫通訊，且適用於其支援的各種TMC板。本文將深入探討TMC ROS1驅動程式的功能，包括馬達控制、資訊檢索、指令執行、參數擷取以及對多種設定的支援。文中並概述了如何將馬達控制器整合到嵌入式系統和應用中，進而利用ROS框架提供的優勢。

ADI Trinamic馬達控制器ROS1驅動程式

ROS是一個機器人系統中間層，包含一組軟體庫和強大的開發工具，從驅動程式到最先進的演算法，可以在此基礎上開發機器人系統或應用程式。 ADI 馬達控制器支援新型智慧執行器，並且隨著ROS變得越來越流行，尤其是在機器人領域，為了擴展在製造和工業自動化應用中的適用性，我們開發了ROS驅動程式等附加模組支援。ADI的TMC ROS1驅動程式提供與Triaminic馬達控制語言整合式開發環境(TMCL-IDE)類似的功能，但有一個關鍵區別：其允許支援ROS的系統中的節點使用TMC，而無需額外安裝驅動程式。此外，adi_tmcl整合自己的TMCL協議解譯器，因此，能夠解釋符合TMCL標準的用戶請求的指令。最後一層是tmcl_ros_node，其建立了與ROS系統的直接介面，提供發佈者、訂閱者和服務等功能。每一個功能都可以使用一組參數進行自訂，以下部分將詳細討論這些功能。

功能

1. 支援多種TMC模組

TMC ROS驅動程式或adi_tmcl目的在支援所有遵守TMCL協定的商用TMC。截至本文發佈時，其目前都還支援CAN介面（特別是SocketCAN）。但開發工作還在進行中，不久的將來可望支援其他介面。這些TMC包含ADI Trinamic PANdriveTM 智能馬達和 模組, 可以支援步進馬達和直流無刷伺服(BLDC)馬達。由於使用ROS參數，adi_tmcl能夠無縫支援不同的TMC模組。只需配置 tmcl_ros_node而無需重新建構整個套件。

在adi_tmcl/config目錄中，每個ADI Trinamic馬達控制器模組(TMCM)都有兩個相關的YAML檔。這些檔以人類可讀的資料序列化語言編寫，包含ROS參數，應在執行期間載入：

  • X adi_tmcl/config/autogenerated/TMCM-XXXX.yaml

此YAML檔是自動生成的，包含特定於模組的參數，不建議修改，以免導致節點行為異常。

  • adi_tmcl/config/TMCM-XXXX_Ext.yaml

此YAML檔包含用戶可以修改的所有參數，以便(1)與板通訊（例如介面名稱），(2)實現馬達控制，以及(3)更改ROS主題名稱。

例如，如果您想使用 TMCM-1636 圖3），只需運行圖1所示的代碼。


Terminal
# Launch using TMCM-1636
~/catkin_ws $ roslaunch adi_tmcl tmcm_1636.launch
# To exit the node, press Ctrl + C

圖1. 啟動TMCM-1636。

其中，adi_tmcl/launch/tmcm_1636.launch載入TMCM-1636專用的YAML 檔。


Tmcm_1636.launch
[…]
<!--Launches node-->
<node name="tmcl_ros_node" pkg="adi_tmcl" type="tmcl_ros_node" output="screen" required="true">
<!-- Autogenerated YAML file containing TMCM-1636 configurations -->
<rosparam command="load" file="$(find adi_tmcl)/config/autogenerated/TMCM-1636.yaml" />
<!-- User-generated YAML file containing ROS-specific parameters as well as user-set values for TMCM-1636 configurations -->
<rosparam command="load" file="$(find adi_tmcl)/config/TMCM-1636_Ext.yaml" />
</node>
[…]

圖2. 使用TMCM-1636執行TMC ROS驅動程式的程式碼片段。

Fgure 3. (Top) TMCM-1636 hardware connection diagram; (bottom) reference image for actual setup.

圖3. （上）TMCM-1636硬體連接圖；（下）實際設定的參考圖片。

要使用 TMCM-1260（圖6），請執行以下指令：


Terminal
# Launch using TMCM-1260
~/catkin_ws $ roslaunch adi_tmcl tmcm_1260.launch
# To exit the node, press Ctrl + C

圖4. 使用TMCM-1260啟動TMC ROS驅動程式的指令。

其中，adi_tmcl/launch/tmcm_1260.launch載入TMCM-1260專用的YAML 檔。


tmcm_1260.launch
[…]
<!--Launches node-->
<node name="tmcl_ros_node" pkg="adi_tmcl" type="tmcl_ros_node" output="screen" required="true">
<!-- Autogenerated YAML file containing TMCM-1260 configurations -->
<rosparam command="load" file="$(find adi_tmcl)/config/autogenerated/TMCM-1260.yaml" />
<!-- User-generated YAML file containing ROS-specific parameters as well as user-set values for TMCM-1260 configurations -->
<rosparam command="load" file="$(find adi_tmcl)/config/TMCM-1260_Ext.yaml" />
</node>
[…]

圖5. 使用TMCM-1260執行TMC ROS驅動程式的程式碼片段。

Figure 6. (Top) TMCM-1260 hardware connection diagram; (bottom) reference image for actual setup.

圖6. （上）TMCM-1260硬體連接圖；（下）實際設定的參考圖片。

啟動目錄包括所有支援的TMC模組，可以點擊 此處查看。


2. 使用TMCL-IDE一次性配置TMC模組

在透過ROS使用TMC模組之前，需要根據所使用的馬達完成配置。所有的配置使用TMCL-IDE完成，並應儲存在EEPROM中（否則可能無法正確控制馬達）。

  • BLDC馬達模組（如TMCM-1636）
    • 有關如何在TMCL-IDE中透過Wizard Pool工具完成馬達校準的流程/教程，請查看此 教程。
    • 有關如何在TMCL-IDE中完成比例積分(PI)調諧功能的流程/ 教程，請查看此 教程。
  • 步進馬達模組（如TMCM-1260）
    • 有關如何在TMCL-IDE中透過Wizard Pool功能完成初始化配置的流程/教程，請查看此 教程。

初始化和調諧後，務必將所有參數儲存在板的EEPROM中。這可以透過如下方法來完成：(1) store參數，(2) STAP指令，以及/或者(3)創建和上傳TMCL程式並啟用自動啟動模式。有些板僅支援其中的少數選項。

TMC ROS驅動程式的設計得到了簡化，在完成TMC模組和馬達的初始化配置/調諧後，基於使用TMCL-IDE的一次性配置即可控制馬達。


3. 移動⁄停止馬達

TMC ROS驅動程式透過在以下任一主題中發佈指令來移動/停止馬達：

  • /cmd_vel/cmd_vel (geometry_msgs/Twist)—設定馬達轉速
  • /cmd_abspos (std_msgs/Int32)—設定馬達的絕對位置
  • /cmd_relpos (std_msgs/Int32)—設定馬達的相對位置
  • /cmd_trq (std_msgs/Int32)—設定馬達扭矩

注：多軸TMC設定中的不同馬達有不同的位址。

使用者可以連接ROS系統來發送至這些特定指令，進而控制馬達的運動。指令的選擇取決於具體應用、TMC設定以及所用馬達的類型。例如，對於輪式機器人，使用者可以選擇設定速度；而對於夾具，設定位置會更合適。

作為說明性示例，可以查看腳本adi_tmcl/scripts/fake_cmd_vel.sh。這個簡單的腳本可以控制馬達以順時針和逆時針兩個方向旋轉，並且逐漸提高轉速。若要執行此腳本，請按照圖7所示的指令進行操作。


Terminal #1
~ $ cd ~/catkin_ws
~/catkin_ws $ source /opt/ros/noetic/setup.bash
~/catkin_ws $ source devel/setup.bash
~/catkin_ws $ roslaunch adi_tmcl tmcm_1260.launch
# or $ roslaunch adi_tmcl tmcm_1636.launch
Terminal #2
~ $ cd ~/catkin_ws
~/catkin_ws $ source /opt/ros/noetic/setup.bash
~/catkin_ws $ source devel/setup.bash
~/catkin_ws $ rostopic echo /tmc_info_0
Terminal #3
~ $ cd ~/catkin_ws/src/adi_tmcl/scripts
~/catkin_ws/src/adi_tmcl/scripts $ sudo chmod +x fake_cmd_vel.sh
~/catkin_ws/src/adi_tmcl/scripts $ ./fake_cmd_vel.sh

圖7. 用於測試TMC ROS驅動程式轉速控制的指令。

注意：

  • 2號終端視窗和3號終端視窗最好並排顯示。
  • 可以按Ctrl-C複製1號終端視窗中的指令，完成後貼到2號終端視窗中。
  • 3號終端視窗中的指令會自行停止。

為了驗證馬達是否已移動，圖8顯示了來自TMC (/tmc_info_0)的實際轉速回饋圖。

Figure 8. Actual velocity of the motor in m/s as plotted using RQT.

圖8. 使用RQT繪製的馬達實際轉速圖（以m/s為單位）

4. TMC⁄馬達資訊檢索

系統可以透過訂閱以下主題，從TMC ROS驅動程式檢索資訊：

  • /tmc_info (adi_tmcl/TmcInfo)- 提供電壓、TMC狀態、實際轉速、 實際位置和實際扭矩資訊

註：多軸TMC設定中的不同馬達有不同的主題。

使用者可以連結ROS系統來訂閱這些指定的主題。如此使用者就可以監視參數值，並根據參數值採取行動。例如，在特定應用的場景中，當檢測到TMC狀態出錯時，操作員可能會選擇停止系統，或者在馬達到達特定位置時執行預程式設計的動作。

舉例而言，透過adi_tmcl/scripts/fake_cmd_pos.sh這個簡單的腳本，其讓馬達先順時針旋轉，再逆時針旋轉，並且不斷提高位置幅度。請執行圖9所示的指令。


Terminal #1
~ $ cd ~/catkin_ws
~/catkin_ws $ source /opt/ros/noetic/setup.bash
~/catkin_ws $ source devel/setup.bash
~/catkin_ws $ roslaunch adi_tmcl tmcm_1260.launch
# or $ roslaunch adi_tmcl tmcm_1636.launch
Terminal #2
~ $ cd ~/catkin_ws
~/catkin_ws $ source /opt/ros/noetic/setup.bash
~/catkin_ws $ source devel/setup.bash
~/catkin_ws $ rostopic echo /tmc_info_0
Terminal #3
~ $ cd ~/catkin_ws/src/adi_tmcl/scripts
~/catkin_ws/src/adi_tmcl/scripts $ sudo chmod +x fake_cmd_pos.sh
~/catkin_ws/src/adi_tmcl/scripts $ ./fake_cmd_pos.sh

圖9. 用於測試TMC ROS驅動程式位置控制的指令。

為了驗證馬達是否已移動，圖10顯示了來自TMC (/ (/tmc_info_0)的實際位置回讀圖。

Figure 10. Actual position of the motor in degrees as plotted using RQT.

圖10. 使用RQT繪製的馬達實際位置圖（以度為單位）。

5. 執行自訂TMC指令

系統可以透過執行以下功能存取和調整TMC參數：

  • tmcl_custom_cmd (adi_tmcl/TmcCustomCmd) – 擷取/設定TMC的軸參數AP和全域參數(GP)的值

使用者可以選擇將此服務整合到ROS系統中，以滿足特定應用需求。此功能讓使用者能夠直接從ROS驅動程式配置TMC板。例如，用戶可以選擇設定軸參數(SAP)以獲得最大電流，進而調整允許的絕對電流水準。但是，用戶必須透徹瞭解他們要透過此功能修改的參數，不正確的設定可能會導致TMC ROS驅動程式故障。因此，強烈建議任何配置都透過TMCL-IDE執行。圖11提供了調用此服務的示例，展示了使用指令類型208對DrvStatusFlags進行擷取軸參數(GAP)操作。

Figure 11. Triggered tmcl_custom_cmd service via RQT.

圖11. 透過RQT觸發的tmcl_custom_cmd服務。

6. 存取所有軸參數值

系統可以透過以下方式存取TMC軸參數值：

  • tmcl_gap (adi_tmcl/TmcGapGgpAll) – 擷取指定馬達/軸的所有TMC軸參數(AP)的值

使用者可以將ROS系統與此功能整合，以滿足特定應用的需求。例如，此服務可以擷取TMC板的目前設定和狀態，包括AP（例如編碼器步長、PI調諧、換向模式等）。

圖12顯示了部分輸出示例。透過分析該結果，使用者可以確認一次性配置是否正確保存在板的EEPROM中。

Figure 12. Triggered tmcl_gap_all service via RQT.

圖12. 透過RQT觸發的tmcl_gap_all服務。

7. 存取所有全域參數值

系統可以透過以下方式存取TMC全域參數值：

  • tmcl_ggp (adi_tmcl/TmcGapGgpAll) -擷取所有TMC全域參數(GP)的值

此功能可以檢索TMC板的目前配置和狀態。可存取的一些GP包括：CAN位元速率、串列傳輸速率、自動啟動模式等。

圖13顯示了執行此服務後獲得的部分輸出。此結果讓使用者能夠確認一次性配置是否已正確儲存在板的EEPROM中。

Figure 13. Triggered tmcl_ggp_all via RQT.

圖13. 透過RQT觸發的tmcl_ggp_all。

8. 多個TMC板設定

對於可能需要多個TMC模組的較大系統（如機械手臂），TMC ROS驅動程式支援多個元件設定。

a. 多個CAN通道中的多個TMC板

如圖14所示，當用戶的每個TMC板都有一個CAN-USB時，系統將增加命名空間以區分每個節點的實例。在此特定用例中，需要相應更新 comm_interface_name 參數，以確保與板正確通訊。

Figure 14. Sample diagram of multiple TMC boards in multiple CAN channels.

圖14. 多個CAN通道中的多個TMC板的示例圖

圖15中的代碼是用於設定此用例的示例開機檔案。在此示例中，馬達A可以透過發佈到 /tmcm1/cmd_abspos來控制，馬達B可以透過發佈到 /tmcm2/cmd_abspos來控制，馬達C可以透過發佈到 /tmcm3/cmd_abspos來控制。


multiple_tmcm_multiple_can_channel.launch
[…]
<group ns="tmcm1">
<node name="tmcl_ros_node" pkg="adi_tmcl" type="tmcl_ros_node" output="screen" required="true">
<rosparam command="load" file="$(find adi_tmcl)/config/autogenerated/TMCM-1260.yaml" />
<rosparam command="load" file="$(find adi_tmcl)/config/TMCM-1260_Ext.yaml" />
<param name="comm_interface_name" type="string" value="can0" />
</node>
</group>
<group ns="tmcm2">
<node name="tmcl_ros_node" pkg="adi_tmcl" type="tmcl_ros_node" output="screen" required="true">
<rosparam command="load" file="$(find adi_tmcl)/config/autogenerated/TMCM-1260.yaml" />
<rosparam command="load" file="$(find adi_tmcl)/config/TMCM-1260_Ext.yaml" />
<param name="comm_interface_name" type="string" value="can1" />
</node>
</group>
<group ns="tmcm3">
<node name="tmcl_ros_node" pkg="adi_tmcl" type="tmcl_ros_node" output="screen" required="true">
<rosparam command="load" file="$(find adi_tmcl)/config/autogenerated/TMCM-1260.yaml />
<rosparam command="load" file="$(find adi_tmcl)/config/TMCM-1260_Ext.yaml" />
<param name="comm_interface_name" type="string" value="can2" />
</node>
</group>
[…]

圖15. 使用多個CAN通道執行多個TMC ROS驅動程式的程式碼片段。

b. 單個CAN通道中的多個TMC板

TMC ROS驅動程式支援的另一種設定是單個CAN通道中有多個TMC板， 如圖16所示。與上文所述的對多個TMC板的支援非常相似，系統引入命名空間來區分每個節點實例。所有板的comm_interface_name 保持一致。調整 comm_tx_id 和 comm_rx_id 以確保與各板正確通訊。

Figure 16. Sample diagram of multiple TMC boards in single CAN channels.

圖16. 單CAN通道中的多個TMC板的示例圖。

圖17顯示了用於設定此用例的示例開機檔案。在此示例中，馬達A可以透過發佈到/tmcm1/cmd_abspos來控制，馬達B可以透過發佈到/tmcm2/cmd_abspos來控制，馬達C可以透過發佈到/tmcm3/cmd_abspos來控制。


multiple_tmcm_single_can_channel.launch
[…]
<group ns="tmcm1">
<node name= "tmcl_ros_node" pkg="adi_tmcl" type="tmcl_ros_node" output="screen" required="true">
<rosparam command="load" file="$(find adi_tmcl)/config/autogenerated/TMCM-1260.yaml" />
<rosparam command="load" file="$(find adi_tmcl)/config/TMCM-1260_Ext.yaml" />
<param name="comm_tx_id" type="int" value="1" />
<param name="comm_rx_id" type="int" value="2" />
</node>
</group>
<group ns="tmcm2">
<node name="tmcl_ros_node" pkg="adi_tmcl" type="tmcl_ros_node" output="screen" required="true">
<rosparam command="load" file="$(find adi_tmcl)/config/autogenerated/TMCM-1260.yaml" />
<rosparam command="load" file="$(find adi_tmcl)/config/TMCM-1260_Ext.yaml" />
<param name="comm_tx_id" type="int" value="3" />
<param name="comm_rx_id" type="int" value="4" />
</node>
</group>
<group ns="tmcm3">
<node name="tmcl_ros_node" pkg="adi_tmcl" type="tmcl_ros_node" output="screen" required="true">
<rosparam command="load" file="$(find adi_tmcl)/config/autogenerated/TMCM-1260.yaml" />
<rosparam command="load" file="$(find adi_tmcl)/config/TMCM-1260_Ext.yaml" />
<param name="comm_tx_id" type="int" value="5" />
<param name="comm_rx_id" type="int" value="6" />
</node>
</group>
[…]

圖17. 使用單個CAN通道執行多個TMC ROS驅動程式的程式碼片段。


9. 輕鬆整合到ROS系統⁄應用中

透過ROS提供的消息傳遞系統，即便是較大的系統也可以輕鬆地交換節點（例如驅動程式、演算法等）。TMC ROS驅動程式將這一優勢擴展到了TMC板，允許其無縫整合到ROS系統/應用中。

a. 整合到AGV⁄AMR中

圖18說明了 navigation_node 如何透過發送geometry_msg/Twist格式的/cmd_vel 來控制移動機器人。然後，motor_controller透過geometry_msg/Twist格式的/wheel_velocity發送回饋，使得 navigation_node可以相應地重新校準。

Figure 18. Simplified architecture of an AGV/AMR.

圖18. AGV/AMR的簡化架構。

透過瞭解 navigation_node發佈和訂閱的位置，motor_controller可以輕鬆更改tmcl_ros_node（圖19）。與TMC資訊檢索功能類似，adi_tmcl會發佈關於車輪轉速的即時資訊，wheel_velocity_node 會將車輪轉速資訊從 adi_tmcl/TmcInfo轉換為geometry_msg/Twist。由於新架構及其整合的TMC板符合正確的資料格式，因此移動機器人預計以相同方式工作。

Figure 19. Simplified architecture of AGV/AMR with a TMC ROS driver.

圖19. 具有TMC ROS驅動程式的AGV/AMR簡化架構。

b. 整合到機械手臂中

圖20說明了為將TMC板整合到採用機械手臂的貼片應用中，控制機械臂需要使用多個馬達。與之前的用例類似，使用者需要確保pick_and_place_node 會訂閱/發佈所預期的資料格式。

Figure 20. (Top) Robotic arm with generic motor controllers; (bottom) robotic arm with TMC boards.

圖20. （上）具有通用馬達控制器的機械手臂；（下）具有TMC板的機械手臂。

有關將TMC板整合到ROS系統的步驟指南以及如何利用所述的功能，請點擊 此處。

結論

ADI TMC ROS1驅動程式支援TMC基礎驅動層和應用層之間在ROS管理的系統內無縫通訊，且適用於其支援的各種TMC模組。

本文深入探討了ADI Trinamic馬達控制器ROS1驅動程式提供的功能，包括：

  • 馬達運動控制
  • 檢索馬達和控制器資訊
  • 執行TMC指令
  • 擷取軸和全域參數值
  • 支援多個TMC模組控制設定

所有功能都是利用ROS的消息傳遞系統實現的，使得馬達控制器可以輕鬆整合到基於ROS的系統和應用中。

如需瞭解更多資訊，請瀏覽ADI 機器人網頁。

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